自主水下机器人设计理论与优化方法

目录 丛书前言一 丛书前言二 前言 1 AUV设计概述 1 1.1 AUV的基本概念 1 1.2 AUV的主要用途、工作模式及特点 1 1.2.1 AUV民用领域主要用途 1 1.2.2 AUV军事领域主要用途 2 1.2.3 AUV工作模式 2 1.2.4 AUV主要特点 3 1.3 AUV系统组成及功能 4 1.3.1 智能规划与运动控制系统 5 1.3.2 导航定位系统 7 1.3.3 能源系统 9 1.3.4 推进与操纵系统 15 1.3.5 通信系统 19 1.3.6 任务载荷 22 1.3.7 水面监控系统 24 1.4 AUV主要特性和参数 25 1.5 AUV设计的各个阶段 27 1.6 AUV总体设计过程 28 参考文献 31 2 AUV总体设计基础 33 2.1 AUV方案设计 33 2.1.1 艇型选择 33 2.1.2 阻力估算 34 2.1.3 能源与动力选择 38 2.1.4 推进与操纵方式选择 40 2.1.5 总布置设计 41 2.2 AUV流体动力设计 42 2.2.1 AUV动力学和运动学模型 42 2.2.2 操纵性 49 2.2.3 艇体型线设计 54 2.2.4 舵翼设计 58 2.2.5 螺旋桨设计 62 2.3 AUV结构设计 64 2.3.1 总体结构布局 64 2.3.2 非耐压结构设计 66 2.3.3 耐压结构设计 69 2.4 AUV性能预报 75 2.4.1 操纵性能预报 75 2.4.2 续航力性能预报 78 2.4.3 静水力性能预报 81 参考文献 83 3 AUV性能分析方法 86 3.1 AUV艇体水动力性能分析方法 86 3.1.1 基于半经验公式的性能分析 86 3.1.2 基于计算流体力学的性能分析 91 3.1.3 基于约束模型试验的性能分析 103 3.2 AUV结构性能分析方法 112 3.2.1 基于规范的耐压结构性能分析方法 112 3.2.2 基于有限元分析的结构性能分析方法 122 3.3 AUV螺旋桨推进性能分析方法 129 3.3.1 基于势流理论面元法的螺旋桨推进性能分析 129 3.3.2 基于计算流体力学方法的螺旋桨推进性能计算 139 3.3.3 槽道桨推进性能分析 145 3.4 AUV舵翼水动力性能分析方法 149 3.4.1 单独舵板的水动力性能分析方法 149 3.4.2 艇体和螺旋桨对舵翼水动力性能的影响分析 151 3.5 AUV续航力性能分析方法 157 参考文献 159 4 AUV设计方案评价 161 4.1 AUV设计方案评价意义和内容 161 4.1.1 设计方案评价意义 161 4.1.2 设计方案评价内容 162 4.2 AUV设计方案综合评价准则 163 4.3 AUV设计方案综合评价方法 166 4.3.1 层次分析法 166 4.3.2 综合评估法 167 参考文献 169 5 工程优化理论与算法 170 5.1 优化设计的数学基础 170 5.1.1 *优化问题的数学模型 170 5.1.2 多元函数 172 5.1.3 凸集与凸函数 174 5.1.4 *优化问题的求解方法 176 5.2 传统优化方法 179 5.2.1 梯度法 179 5.2.2 复合形法 180 5.2.3 惩罚函数法 183 5.3 现代优化方法 188 5.3.1 遗传算法 188 5.3.2 粒子群优化算法 191 5.3.3 模拟退火算法 193 5.4 多目标优化方法 195 5.4.1 统一目标函数法 195 5.4.2 多目标进化算法 197 5.5 试验设计与近似模型 201 5.5.1 试验设计 201 5.5.2 近似模型 202 参考文献 212 6 AUV结构性能优化方法 214 6.1 结构性能优化概述 214 6.1.1 结构优化的发展 214 6.1.2 结构优化的方法 216 6.1.3 AUV结构性能优化 216 6.2 基于参数化有限元的结构优化方法 217 6.2.1 参数化设计的基本方法 217 6.2.2 参数化有限元分析方法 218 6.2.3 结构优化过程 219 6.3 耐压结构的优化方法 220 6.3.1 圆柱壳结构性能近似模型的建立 221 6.3.2 壳体参数对结构性能的影响分析 224 6.3.3 圆柱壳结构的优化结果 226 参考文献 227 7 AUV水动力性能优化方法 228 7.1 AUV水动力性能优化的研究进展 228 7.1.1 主艇体形状优化研究现状 228 7.1.2 附体布局优化研究现状 229 7.2 基于计算流体力学的艇型优化方法 230 7.2.1 回转体艇型阻力计算 230 7.2.2 回转体艏艉形状对阻力性能的影响分析 233 7.2.3 回转体艇型优化过程 236 7.3 基于近似模型的艇型优化方法 241 7.3.1 近似模型的建立过程 242 7.3.2 优化过程及结果分析 243 参考文献 244 8 AUV螺旋桨和舵翼的优化设计 246 8.1 基于近似模型的螺旋桨优化设计 246 8.1.1 螺旋桨优化问题描述 246 8.1.2 基于近似模型的优化策略 247 8.1.3 近似模型的建立 248 8.1.4 优化结果与分析 250 8.2 基于近似模型的舵翼优化设计 252 8.2.1 舵翼优化问题描述 252 8.2.2 近似模型的建立 253 8.2.3 优化结果与分析 254 参考文献 254 9 AUV多学科设计优化方法 256 9.1 多学科设计优化的基本内容 256 9.1.1 多学科设计优化的研究概况 256 9.1.2 多学科设计优化的基本概念 260 9.1.3 AUV总体多学科设计优化 262 9.2 AUV多学科设计优化的关键技术 265 9.2.1 复杂系统的分解方式 265 9.2.2 学科分析与建模方法 266 9.2.3 多学科设计优化过程 266 9.2.4 多学科设计优化的集成环境平台 268 9.3 多学科设计优化在AUV总体设计中的应用 269 9.3.1 AUV的基本形式及设计要求 269 9.3.2 AUV多学科设计优化数学模型的建立过程 271 9.3.3 AUV多学科设计优化结果 282 参考文献 291 索引 293 彩图